Чорна діра. Що це таке? Чорні діри: найпотаємніші об'єкти Всесвіту Поява чорних дір

10 квітня група астрофізиків з проекту Event Horizon Telescope оприлюднила перший в історії знімок чорної діри. Ці гігантські, але невидимі космічні об'єкти досі залишаються одними з найбільш загадкових і інтригуючих в нашому Всесвіті.

Читайте нижче

Що таке чорна діра?

Чорна діра об'єкт (область в просторі-часі), чия гравітація настільки велика, що він притягує всі відомі об'єкти, включаючи ті, які рухаються зі швидкістю світла. Кванти самого світла також не можуть покинути цю область, тому чорна діра невидима. Спостерігати можна тільки за електромагнітними хвилями, радіацією і спотвореннями простору навколо чорної діри. На, опублікованому Event Horizon Telescope, зображений горизонт подій чорної діри межа області зі сверхсильной гравітацією, обрамлена аккреційним диском світиться матерією, яку «засмоктує» діра.

Термін «чорна діра» з'явився в середині XX століття, його ввів американський фізик-теоретик Джон Арчібальд Уілер. Він вперше вжив цей термін на науковій конференції в 1967 році.

Однак припущення про існування об'єктів настільки масивних, що силу їх тяжіння не може подолати навіть світло, висувалися ще в XVIII столітті. Сучасна теорія чорних дір почала формуватися в рамках загальної теорії відносності. Цікаво, що сам Альберт Ейнштейн в існування чорних дір не вірив.

Звідки беруться чорні діри?

Вчені вважають, що чорні діри бувають різними за походженням. Чорною дірою в кінці життя стають масивні зірки: за мільярди років в них змінюється склад газів, температура, що призводить до порушення рівноваги між гравітацією зірки і тиском розпечених газів. Тоді відбувається колапс зірки: її обсяг зменшується, але, оскільки маса не змінюється, зростає щільність. Типова чорна діра зоряної маси має радіус 30 кілометрів і щільність речовини більш 200 млн тонн на кубічний сантиметр. Для порівняння: щоб Земля стала чорною дірою, її радіус повинен скласти 9 міліметрів.

Існує ще один вид чорних дір надмасивні чорні діри, які утворюють ядра більшості галактик. Їх маса в мільярд разів більше маси зіркових чорних дір. Походження надмасивних чорних дір невідомо, є гіпотеза, що колись вони були чорними дірами зоряної маси, які росли, поглинаючи інші зірки.

Є також спірна ідея про існування первинних чорних дір, які могли з'явитися від стиснення будь-якої маси на початку існування Всесвіту. Крім того, існує припущення, що дуже маленькі чорні діри з масою, близькою масі елементарних частинок, утворюються на Великому адронному колайдері. Однак підтвердження цієї версії поки немає.

Чорна діра поглине нашу галактику?

У центрі галактики Чумацький Шлях є чорна діра Стрілець А *. Її маса в чотири мільйони разів більша за масу Сонця, а розмір 25 мільйонів кілометрів приблизно дорівнює діаметру 18 сонць. Подібні масштаби змушують деяких шукати відповіді на запитання: а чи не загрожує чорна діра всій нашій галактиці? Підстави для таких припущень є не тільки у фантастів: кілька років тому вчені повідомили про галактиці W2246 0526, яка знаходиться в 12,5 млрд світлових років від нашої планети. Відповідно до опису астрономів, що знаходиться в центрі W2246 0526 свермассівная чорна діра поступово розриває її на частини, а що виникає в результаті цього процесу випромінювання розганяє на всі боки розпечені гігантські хмари газу. Розривається чорною дірою галактика світиться яскравіше, ніж 300 трильйонів сонць.

Однак нашій рідній галактиці нічого подібного не загрожує (принаймні в короткостроковій перспективі). Більшість об'єктів Чумацького Шляху, включаючи Сонячну систему, Знаходиться дуже далеко від чорної діри, щоб відчути її тяжіння. Крім того, «наша» чорна діра не втягує весь матеріал, як пилосос, а виступає лише гравітаційному якорем для групи зірок, що знаходяться на орбіті навколо неї як Сонце для планет.

Втім, навіть якщо ми коли-небудь і потрапимо за горизонт подій чорної діри то, швидше за все, навіть не помітимо цього.

Що буде, якщо «впасти» в чорну діру?

Об'єкт, притягнутий чорною дірою, швидше за все, не зможе звідти повернутися. Щоб подолати гравітацію чорної діри, потрібно розвинути швидкість вище швидкості світла, але людство поки не знає, як це можна зробити.

Гравітаційне поле навколо чорної діри дуже сильно і неоднорідне, тому всі об'єкти поруч з нею змінюють форму і структуру. Та сторона предмета, яка знаходиться ближче до горизонту подій, притягається з більшою силою і падає з великим прискоренням, тому весь предмет розтягується, стаючи схожим на макаронину. Це явище описав у своїй книзі « коротка історія часу »знаменитий фізик-теоретик Стівен Хокінг. Ще до Хокінга астрофізики назвали це явище спагетіфікація.

Якщо описувати спагетіфікація з точки зору космонавта, який підлетів до чорної діри ногами вперед, то гравітаційне поле буде затягувати його ноги, а потім розтягне і розірве тіло, перетворивши його в потік субатомних частинок.

З боку побачити падіння в чорну діру неможливо, так як вона поглинає світло. Сторонній спостерігач побачить лише, що наближається до чорної діри об'єкт поступово сповільнюється, а потім і зовсім зупиняється. Після цього силует об'єкта буде ставати все більш розмитим, знаходити червоний колір, і нарешті просто зникне назавжди.

За припущенням Стівена Хокінга, всі об'єкти, які притягує чорна діра, залишаються в горизонті подій. З теорії відносності випливає, що поблизу чорної діри час сповільнюється аж до зупинки, тому для того, хто падає, самого падіння в чорну діру може ніколи не відбутися.

А що всередині?

Достовірної відповіді на це питання зі зрозумілих причин зараз не існує. Втім, вчені сходяться на думці, що всередині чорної діри звичні нам закони фізики вже не діють. Згідно з однією з найбільш захоплюючих і екзотичних гіпотез, просторово-часової континуум навколо чорної діри спотворюється настільки, що в самій реальності утворюється дірка, яка може бути порталом в інший всесвіт або так званої кротові норою.

Чорні діри: найпотаємніші об'єкти Всесвіту

Між французами і англійцями йде іноді напівжартівлива, а іноді серйозна полеміка: кого слід вважати першовідкривачем можливості існування невидимих \u200b\u200bзірок - француза П. Лапласа або англійця Дж. Мічелла? У 1973 році відомі англійські фізики-теоретики С. Хоукінг і Г. Елліс в книзі, присвяченій сучасним спеціальним математичним питань структури простору і часу, приводили роботу фрнцуза П.Лапласа з доказом можливості існування чорних зірок; тоді про роботу Дж. Мічелла ще не було відомо. Осінню 1984 року відомий англійський астрофізик М Рисі, виступаючи на конференції в Тулузі, сказав, що хоча це не дуже зручно говорити на території Франції, але він повинен підкреслити, що першим передбачив невидимі зірки англієць Дж. Мічелл, і продемонстрував знімок сторінок відповідають першій сторінці його роботи. Це історичне зауваження було зустрінуте і оплесками і посмішками присутніх.

Як тут не згадати дискусії між французами та англійцями про те, хто передбачив положення планети Нептун за збурень у русі Урана: француз У. Левер'є або англієць Дж. Адаме? Як відомо, обидва вчених незалежно правильно вказали положення нової планети. Тоді більше пощастило французу У. Левер'є. Така доля багатьох відкриттів. Часто їх роблять майже одночасно і незалежно різні люди Зазвичай пріоритет визнається за тим, хто глибше проник в суть проблеми, але іноді це просто капризи фортуни.

Але передбачення П. Лапласа і Дж. Мічьлла ще не було справжнім передбаченням чорної діри. Чому?

Справа в тому, що за часів П Лапласа ще не було відомо, що швидше за світло в природі ніщо не може рухатися. Обігнати світло в порожнечі можна! Це було встановлено А \u200b\u200bЕйнштейном в спеціальної теорії відносності вже в нашому столітті. Тому для П.Лапласа розглянута їм зірка була тільки чорної (не світяться), і він не міг знати, що така зірка втрачає здатність взагалі будь-яким чином "спілкуватися" з зовнішнім світом, що-небудь "повідомляти" далеких світів про що відбуваються на ній події . Іничі словами, він ще не знав, що це не тільки "чорна", але і "діра", в яку можна впасти, але неможливо вибратися. Тепер ми знаємо, що якщо з якоїсь області пространетва не може вийти світло, то, значить, і взагалі ніщо не може вийти, і такий об'єкт ми називаємо чорною дірою.

Інша причина, через яку міркування П. Лапласа можна вважати строгими, полягає в тому, що він розглядав гарвітаціонние поля величезної сили, в яких падаючі тіла розганяються до швидкості світла, а сам виходить світло може бути затриманий, і застосовував при цьому закон тяжіння Ньютона.

А. Ейнштейн показав "що для таких полів теорія тяжіння Ньютона непридатна, і створив нову теорію, справедливу для великими силами, а також для швидкозмінних полів (для яких ньютоновская теорія також не застосовується!), І. назвав її загальною теорією відносності. Саме висновками цієї теорії треба пользам тися для доказу можливості існування чорних дір і для вивчення їх властивостей.

Загальна теорія відносності - це дивовижна теорія. Вона настільки глибока і струнка, що викликає почуття естетичної насолоди у всякого, хто знайомиться з нею. Радянські фізики Л. Ландау і Є. Ліфшиц в своєму підручнику "Теорія поля" назвали її "найкрасивішою з усіх існуючих фізичних теорій". Німецький фізик Макс Борн сказав про відкриття теорії відносності: "Я захоплююся ним як витвором мистецтва". А радянський фізик В. Гінзбург писав, що вона викликає "... почуття ... родинне того, в якому перебувають, дивлячись на найвидатніші шедеври живопису, скульптури чи архітектури".

Численні спроби популярного викладу теорії Ейнштейна, звичайно, можуть дати загальне враження про неї. Але, чесно кажучи, воно настільки ж мало схоже на захоплення від пізнання самої теорії, як знайомство з репродукцією "Сікстинської мадонни" відрізняється від переживання, що виникає при розгляді першотвору, створеного генієм Рафаеля.

І тим не менше, коли немає можливості милування оригіналом, можна (і потрібно!) Знайомитися з доступними репродукціями, краще хорошими (а бувають всякі).

Новиков І.Д.

Наукове мислення часом конструює об'єкти з настільки парадоксальними властивостями, що навіть найбільш проникливі вчені спочатку відмовляють їм у визнанні. Найбільш наочний приклад в історії новітньої фізики - багаторічна відсутність інтересу до чорних дірок, екстремальним станам гравітаційного поля, передбаченим майже 90 років тому. Довгий час їх вважали суто теоретичною абстракцією, і лише в 1960-70-і роки увірували в їх реальність. Однак основне рівняння теорії чорних дір було виведено понад двісті років тому.

Осяяння Джона Мічелла

Ім'я Джона Мічелла, фізика, астронома і геолога, професора Кембриджського університету і пастора англіканської церкви, абсолютно незаслужено загубилося серед зірок англійської науки XVIII століття. Мічелл заклав основи сейсмології - науки про землетруси, виконав чудову дослідження магнетизму і задовго до Кулона винайшов крутильні ваги, які використовував для гравіметричних вимірювань. У 1783 році він спробував об'єднати два великих твори Ньютона - механіку і оптику. Ньютон вважав світло потоком найдрібніших частинок. Мічелл припустив, що світлові корпускули, як і звичайна матерія, підпадають під дію законів механіки. Слідство з цієї гіпотези виявилося вельми нетривіальним - небесні тіла можуть перетворитися в пастки для світла.

Як міркував Мічелл? Гарматне ядро, вистрілене з поверхні планети, повністю подолає її тяжіння, лише якщо його початкова швидкість перевищить значення, зване тепер другою космічною швидкістю і швидкістю тікання. Якщо гравітація планети настільки сильна, що швидкість втечі перевищує швидкість світла, випущені в зеніт світлові корпускули не зможуть піти в нескінченність. Це ж станеться і з відбитим світлом. Отже, для дуже віддаленого спостерігача планета виявиться невидимою. Мічелл обчислив критичне значення радіусу такої планети R кр залежно від її маси М, наведеної до маси нашого Сонця M s: R кр \u003d 3 км x M / M s.

Джон Мічелл вірив своїм формулам і припускав, що глибини космосу приховують безліч зірок, які із Землі можна розгледіти ні в один телескоп. Пізніше до такого ж висновку прийшов великий французький математик, астроном і фізик П'єр Симон Лаплас, що включив його і в перше (1796), і в друге (1799) видання свого «Викладу системи світу». А ось третє видання побачило світ 1808 року, коли більшість фізиків вже вважало світло коливаннями ефіру. Існування «невидимих» зірок суперечило хвильової теорії світла, і Лаплас вважав за краще про них просто не згадувати. У наступні часи цю ідею вважали курйозом, гідним викладу лише в працях з історії фізики.

модель Шварцшильда

У листопаді 1915 Альберт Ейнштейн опублікував теорію гравітації, яку він назвав загальною теорією відносності (ЗТВ). Ця робота відразу ж знайшла вдячного читача в особі його колеги по Берлінської Академії наук Карла Шварцшильда. Саме Шварцшильд першим в світі застосував ОТО для вирішення конкретного астрофізичної завдання, розрахунку метрики простору-часу поза і всередині невращающейся сферичного тіла (для конкретності будемо називати його зіркою).

З обчислень Шварцшильда слід, що тяжіння зірки не надто спотворює ньютоновскую структуру простору і часу лише в тому випадку, якщо її радіус набагато більше тієї самої величини, яку обчислив Джон Мічелл! Цей параметр спочатку називали радіусом Шварцшильда, а зараз називають гравітаційним радіусом. Згідно ОТО, тяжіння не впливає на швидкість світла, але зменшує частоту світлових коливань в тій же пропорції, в якій уповільнює час. Якщо радіус зірки в 4 рази перевершує гравітаційний радіус, то потік часу на її поверхні сповільнюється на 15%, а простір набуває відчутну кривизну. При дворазовому перевищенні воно викривляється сильніше, а час уповільнює свій біг вже на 41%. При досягненні гравітаційного радіуса час на поверхні зірки повністю зупиняється (все частоти зануляются, випромінювання заморожується, і зірка гасне), проте кривизна простору там все ще кінцева. Далеко від світила геометрія як і раніше залишається евклідової, та й час не змінює своєї швидкості.

Незважаючи на те що значення гравітаційного радіуса у Мічелла і Шварцшильда збігаються, самі моделі не мають нічого спільного. У Мічелла простір і час не змінюються, а світло сповільнюється. Зірка, розміри якої менше її гравітаційного радіуса, продовжує світити, однак видно вона тільки не надто віддаленою спостерігачеві. У Шварцшильда ж швидкість світла абсолютна, але структура простору і часу залежить від тяжіння. Яка провалилася під гравітаційний радіус зірка зникає для будь-якого спостерігача, де б він не знаходився (точніше, її можна виявити за гравітаційними ефектами, але аж ніяк не по випромінюванню).

Від зневіри до утвердження

Шварцшильд і його сучасники вважали, що настільки дивні космічні об'єкти в природі не існують. Сам Ейнштейн не тільки дотримувався цієї точки зору, але і помилково вважав, що йому вдалося обгрунтувати свою думку математично.

У 1930-ті роки молодий індійський астрофізик Чандрасекар довів, що витратив ядерне паливо зірка скидає оболонку і перетворюється в повільно остигає білий карлик лише в тому випадку, якщо її маса менше 1,4 мас Сонця. Незабаром американець Фріц Цвіккі здогадався, що при вибухах наднових виникають надзвичайно щільні тіла з нейтронної матерії; пізніше до цього ж висновку прийшов і Лев Ландау. Після робіт Чандрасекара було очевидно, що подібну еволюцію можуть зазнати тільки зірки з масою більше 1,4 мас Сонця. Тому, природно, виникло питання - чи існує верхня межа маси для наднових, які залишають після себе нейтронні зірки?

В кінці 30-х років майбутній батько американської атомної бомби Роберт Оппенгеймер встановив, що така межа дійсно є і не перевищує декількох сонячних мас. Дати більш точну оцінку тоді не було можливості; тепер відомо, що маси нейтронних зірок зобов'язані перебувати в інтервалі 1,5-3 M s. Але навіть з приблизних обчислень Оппенгеймера і його аспіранта Джорджа Волкова випливало, що найпотужніші нащадки наднових не стають нейтронними зірками, а переходять в якийсь інший стан. У 1939 році Оппенгеймер і Хартланд Снайдер на ідеалізованої моделі довели, що масивна коллапсирующая зірка стягується до свого гравітаційного радіусу. З їх формул фактично випливає, що зірка на цьому не зупиняється, однак співавтори утрималися від такого радикального висновку.

Остаточний відповідь була знайдена в другій половині XX століття зусиллями цілої плеяди блискучих фізиків-теоретиків, в тому числі і радянських. Виявилося, що подібний колапс завжди стискає зірку «до упору», повністю руйнуючи її речовина. В результаті виникає сингулярність, «суперконцентрат» гравітаційного поля, замкнутий в нескінченно малому обсязі. У нерухомою діри це точка, у що обертається - кільце. Кривизна простору-часу і, отже, сила тяжіння поблизу сингулярності прагнуть до нескінченності. В 1967 році американський фізик Джон Арчибальд Вілер першим назвав такий фінал зоряного колапсу чорною дірою. Новий термін полюбився фізикам і привів у захват журналістів, які рознесли його по всьому світу (хоча французам він спочатку не сподобався, оскільки вираз trou noir наводило на сумнівні асоціації).

Там, за горизонтом

Чорна діра - це не речовина і не випромінювання. З деякою часткою образності можна сказати, що це самоподдерживающееся гравітаційне поле, сконцентроване в сильно викривленої області простору-часу. Її зовнішня межа задається замкнутої поверхнею, горизонтом подій. Якщо зірка перед колапсом не обертається, ця поверхня виявляється правильною сферою, радіус якої збігається з радіусом Шварцшильда.

Фізичний сенс горизонту дуже наочний. Світловий сигнал, посланий з його зовнішньої околиці, може піти на нескінченно далеку дистанцію. А ось сигнали, надіслані з внутрішньої області, не тільки не перетнуть горизонту, але і неминуче «проваляться» в сингулярність. Горизонт - це просторова межа між подіями, які можуть стати відомі земним (і будь-яким іншим) астрономам, і подіями, інформація про яких ні при якому розкладі не вийде назовні.

Як і належить «по Шварцшильда», далеко від горизонту тяжіння діри обернено пропорційно квадрату відстані, тому для віддаленого спостерігача вона проявляє себе як звичайне важке тіло. Крім маси, діра успадковує момент інерції коллапсіровшей зірки і її електричний заряд. А всі інші характеристики зірки-попередниці (структура, склад, спектральний клас і т. П.) Йдуть у небуття.

Відправимо до дірі зонд з радіостанцією, яка подає сигнал раз в секунду по бортовому часу. Для віддаленого спостерігача в міру наближення зонда до горизонту інтервали часу між сигналами будуть збільшуватися - в принципі, необмежена. Як тільки корабель перетне невидимий горизонт, він повністю замовкне для «наддирного» світу. Однак це зникнення чи не виявиться безслідною, оскільки зонд віддасть дірі свою масу, заряд і обертальний момент.

Чернодирное випромінювання

Всі попередні моделі були побудовані виключно на основі ОТО. Однак наш світ керується законами квантової механіки, які не оминають увагою і чорні діри. Ці закони не дозволяють вважати центральну сингулярність математичної точкою. У квантовому контексті її діаметр задається довжиною Планка-Уїлера, приблизно дорівнює 10 -33 сантиметри. У цій області звичайне простір перестає існувати. Прийнято вважати, що центр діри нафарширований різноманітними топологічними структурами, які народжуються і вмирають відповідно до квантовими ймовірносними закономірностями. Властивості подібного булькаючої квазіпространства, яке Уілер назвав квантової піною, ще мало вивчені.

Наявність квантової сингулярності має пряме відношення до долі матеріальних тіл, що падають вглиб чорної діри. При наближенні до центру діри будь-який об'єкт, виготовлений з нині відомих матеріалів, буде розчавлений і розірваний приливними силами. Однак навіть якщо майбутні інженери і технологи створять якісь надміцні сплави і композити з небаченими нині властивостями, всі вони все одно приречені на зникнення: адже в зоні сингулярності немає ні звичного часу, ні звичного простору.

Тепер розглянемо в квантовомеханічну лупу горизонт дірки. Порожній простір - фізичний вакуум - насправді зовсім не порожньо. Через квантових флуктуацій різних полів у вакуумі безперервно народжується і гине безліч віртуальних частинок. Оскільки тяжіння близько горизонту дуже велике, його флуктуації створюють надзвичайно сильні гравітаційні сплески. При розгоні в таких полях новонароджені «віртуали» здобувають додаткову енергію і часом стають нормальними довгоживучими частками.

Віртуальні частки завжди народжуються парами, які рухаються в протилежних напрямках (цього вимагає закон збереження імпульсу). Якщо гравітаційна флуктуація витягне з вакууму пару частинок, може трапитися так, що одна з них матеріалізується зовні горизонту, а друга (античастинка першої) - всередині. «Внутрішня» частка провалиться в дірку, а ось «зовнішня» при сприятливих умовах може піти. В результаті діра перетворюється в джерело випромінювання і тому втрачає енергію і, отже, масу. Тому чорні діри в принципі не стабільні.

Цей феномен називається ефектом Хокінга, в честь чудового англійського фізика-теоретика, який його відкрив в середині 1970-х років. Стівен Хокінг, зокрема, довів, що горизонт чорної діри випромінює фотони точно так же, як і абсолютно чорне тіло, нагріте до температури T \u003d 0,5 x 10 -7 x M s / M. Звідси випливає, що в міру схуднення діри її температура зростає, а «випаровування», природно, посилюється. Цей процес надзвичайно повільний, і час життя дірки маси M становить близько 10 65 x (M / M s) 3 років. Коли її розмір стає рівним довжині Планка-Уїлера, діра втрачає стабільність і вибухає, виділяючи ту ж енергію, що і одночасний вибух мільйона десятімегатонних водневих бомб. Цікаво, що маса дірки в момент її зникнення все ще досить велика, 22 мікрограма. Згідно з деякими моделям, діра не зникає безслідно, а залишає після себе стабільний релікт такої ж маси, так званий максімон.

Максімон народився 40 років тому - як термін і як фізична ідея. У 1965 році академік М. А. Марков припустив, що існує верхня межа маси елементарних частинок. Він запропонував вважати цим граничним значенням величину розмірності маси, яку можна скомбінувати з трьох фундаментальних фізичних констант - постійної Планка h, швидкості світла C і гравітаційної постійної G (для любителів подробиць: для цього треба перемножити h і C, розділити результат на G і витягти квадратний корінь). Це ті самі 22 мікрограма, про які йдеться в статті, цю величину називають планковской масою. З тих же констант можна сконструювати величину з розмірністю довжини (вийде довжина Планка-Уїлера, 10 -33 см) і з розмірністю часу (10 -43 сек).
Марков пішов в своїх міркуваннях і далі. Згідно з його гіпотезою, випаровування чорної діри призводить до утворення «сухого залишку» - максімона. Марков назвав такі структури елементарними чорними дірами. Наскільки ця теорія відповідає реальності, поки що питання відкрите. У всякому разі, аналоги марковских максімонов відроджені в деяких моделях чорних дір, виконаних на базі теорії суперструн.

глибини космосу

Чорні діри не заборонені законами фізики, але чи існують вони в природі? Абсолютно строгі докази наявності в космосі хоч одного подібного об'єкта поки не знайдені. Однак дуже ймовірно, що в деяких подвійних системах джерелами рентгенівського випромінювання є чорні діри зоряного походження. Це випромінювання повинно виникати внаслідок відсмоктування атмосфери звичайної зірки гравітаційним полем дірки-сусідки. Газ під час руху до горизонту подій сильно нагрівається і випускає рентгенівські кванти. Чи не менше двох десятків рентгенівських джерел зараз вважаються придатними кандидатами на роль чорних дір. Більш того, дані зоряної статистики дозволяють припустити, що тільки в нашій Галактиці існує близько десяти мільйонів дірок зоряного походження.

Чорні діри можуть формуватися і в процесі гравітаційного згущення речовини в галактичних ядрах. Так виникають велетенські діри з масою в мільйони і мільярди сонячних, які, цілком ймовірно, є в багатьох галактиках. Судячи з усього, в закритому пиловими хмарами центрі Чумацького Шляху ховається діра з масою 3-4 мільйони мас Сонця.

Стівен Хокінг прийшов до висновку, що чорні діри довільної маси могли народжуватися і відразу після Великого Вибуху, що дав початок нашому Всесвіту. Первинні діри масою до мільярда тонн вже випарувалися, але важчі можуть і зараз ховатися в глибинах космосу і в свій термін устроівать космічний феєрверк у вигляді найпотужніших спалахів гамма-випромінювання. Однак до сих пір такі вибухи жодного разу не спостерігалися.

Фабрика чорних дір

А чи не можна розігнати частинки в прискорювачі до такої високої енергії, щоб їх зіткнення породило чорну діру? На перший погляд, ця ідея просто божевільна - вибух діри знищить все живе на Землі. До того ж вона технічно нездійсненна. Якщо мінімальна маса дірки дійсно дорівнює 22 мікрограмів, то в енергетичних одиницях це 10 28 МеВ. Цей поріг на 15 порядків перевищує можливості самого потужного в світі прискорювача, Великого адронного коллайдера (БАК), який буде запущений в ЦЕРНі в 2007 році.

Однак не виключено, що стандартна оцінка мінімальної маси діри значно завищена. У всякому разі, так стверджують фізики, які розробляють теорію суперструн, яка включає в себе і квантову теорію гравітації (правда, далеко не завершену). Відповідно до цієї теорії, простір має не три виміри, а не менше дев'яти. Ми не помічаємо додаткових вимірів, оскільки вони закільцьовані в таких малих масштабах, що наші прилади їх не сприймають. Однак гравітація всюдисуща, вона проникає і в приховані вимірювання. У тривимірному просторі сила тяжіння обернено пропорційна квадрату відстані, а в девятімерном - восьмому ступені. Тому в багатовимірному світі напруженість гравітаційного поля при зменшенні дистанції зростає набагато швидше, ніж в тривимірному. В цьому випадку Планка довжина багаторазово збільшується, а мінімальна маса дірки різко падає.

Теорія струн пророкує, що в девятімерном просторі може народитися чорна діра з масою всього лише в 10 -20 м Приблизно така ж і розрахункова релятивістська маса протонів, розігнаних в церновском суперускорітеле. Згідно найбільш оптимістичним сценарієм, він зможе щомиті виробляти по одній дірі, яка проживе близько 10 -26 секунд. У процесі її випаровування будуть народжуватися всілякі елементарні частинки, які буде нескладно зареєструвати. Зникнення діри призведе до виділення енергії, якої не вистачить навіть для того, щоб нагріти одним мікрограм води на тисячну градуса. Тому є надія, що ВАК перетвориться в фабрику нешкідливих чорних дір. Якщо ці моделі вірні, то такі діри зможуть реєструвати і орбітальні детектори космічних променів нового покоління.

Все вищеописане відноситься до нерухомих чорних дірок. Тим часом, існують і обертові діри, що володіють букетом найцікавіших властивостей. Результати теоретичного аналізу чернодирного випромінювання привели також до серйозного переосмислення поняття ентропії, яке також заслуговує на окрему розмову. Про це - в наступному номері.

Чорна діра - область простору-часу, гравітаційно тяжіння якої настільки велике, що покинути її не можуть навіть об'єкти, які рухаються зі швидкістю світла, в тому числі кванти самого світла. Кордон цієї області називається горизонтом подій, а її характерний розмір - гравітаційним радіусом.

Вперше ідея про «чорну діру» виникла в 1916 році, коли фізик Шварцшильд вирішував рівняння Ейнштейна. Математика привела до дивного висновку про існування компактних об'єктів, навколо яких виникає горизонт подій з цікавими властивостями. Але самого терміна «чорна діра» тоді ще не було. Горизонт подій - це область простору, що оточує чорну діру, потрапивши в яку речовину вже ніколи не зможе покинути цю область і провалиться в чорну діру. Світло ще може подолати величезну силу гравітації, послати останні потоки від пропадає речовини, але тільки протягом невеликого проміжку часу, поки падаюче речовина не потрапить в так звану зону сингулярності, за яку вже не Карл Шварцшильда, німецький астроном, один з основоположників теоретичної астрофізики

У 1930-х роках Чедвік відкрив нейтрон. Незабаром була висловлена \u200b\u200bгіпотеза про існування нейтрино зірок, які при великих масах виявляються нестійкими і стискаються до стану колапсу. Терміна "чорна діра" все ще не було. І тільки в кінці 1960-х американець Джон Уілер вимовив "чорна діра". Це точка в просторі, де під впливом гравітаційних сил зникають матерія і енергія. У цьому місці гравітаційні сили настільки великі, що все опиняється поблизу буквально засмоктується всередину. Навіть світлові промені не можуть вирватися звідти, тому чорна діра абсолютно невидима. Джон Уілер, американський фізик.

Виявити "чорну діру" можна за специфічним рентгенівському випромінюванню, яке утворюється, коли вона засмоктує в себе речовину. У 1970-х роках американський супутник "Ухуру" (на одному з африканських діалектів - "Свобода") зафіксував специфічне рентгенівське випромінювання. З тих пір "чорна діра" існує не тільки в розрахунках. Саме за ці дослідження Нобелівську премію 2002 року одержав Ріккардо Джакконі. Ріккардо Джакконі, американський фізик італійського походження, лауреат Нобелівської премії з фізики в 2002 р «за створення рентгенівської астрономії і винахід рентгенівського телескопа»

На даний момент вченими виявлено близько тисячі об'єктів у Всесвіті, які зараховуються до чорних дір. Всього ж, припускають вчені, існують десятки мільйонів таких об'єктів. В даний час єдиний достовірний спосіб відрізнити чорну діру від об'єкта іншого типу полягає в тому, щоб виміряти масу і розміри об'єкту і порівняти його радіус з гравітаційним радіусом, який задається формулою \u003d, де G - гравітаційна стала, M- маса об'єкта, c - Надмасивні чорні діри швидкість світла. Розрослися дуже великі чорні діри, утворюють ядра більшості галактик. У їх число входить і масивна чорна діра в ядрі нашої галактики - Стрілець A *, що є найближчою до Сонця надмасивної чорною дірою. В даний час існування чорних дір зоряних і галактичних масштабів вважається більшістю вчених надійно доведеним астрономічними спостереженнями. Американські астрономи встановили, що маси надмасивних чорних дір можуть бути значно недооцінені. Дослідники встановили, що для того, щоб зірки рухалися в галактиці М87 (яка розташована на відстані 50 мільйонів світлових років від Землі) так, як це спостерігається зараз, маса центральної чорної діри повинна бути як Радіогалактика живопису ц A, видно джет рентгенівського випромінювання (синій ) довжиною 300 тис. світлових років, що виходить із

Виявлення надмасивних чорних дір Найбільш надійними вважаються свідоцтва про існування надмасивних чорних дір в центральних областях галактик. Сьогодні роздільна здатність телескопів недостатня для того, щоб розрізняти області простору розміром близько гравітаційного радіуса чорної діри. Існує безліч способів визначити масу і орієнтовні розміри надмасивної тіла, проте більшість з них засновано на вимірі характеристик орбіт обертаються навколо них об'єктів (зірок, радіоджерел, газових дисків). У найпростішому і досить часто зустрічається випадку звернення відбувається по кеплеровским орбітах, про що говорить пропорційність швидкості обертання супутника квадратному кореню з велика піввісь орбіти:. В цьому випадку маса центрального тіла знаходиться за відомою формулою.

З недавньої заяви астрономів з Університету Огайо, незвичне подвійне ядро \u200b\u200bв галактиці Андромеди пояснюється скупченням зірок, що обертаються по еліптичних орбітах навколо якогось масивного об'єкта, швидше за все, чорної діри. Такі висновки були зроблені на основі даних, отриманих за допомогою космічного телескопа Hubble. Подвійне ядро \u200b\u200bАндромеди було вперше виявлено в 70-х роках, але тільки в середині 90-х була висунута теорія чорних дір.

Ідея про те, що в ядрах галактик існують чорні діри - не нова.

Є навіть всі підстави вважати, що Чумацький шлях - галактика до якої належить Земля - \u200b\u200bмає в своєму ядрі велику чорну діру, маса якої в 3 млн разів більша за масу Сонця. Однак досліджувати ядро \u200b\u200bгалактики Андромеда, яка знаходиться на відстані 2 млн світлових років він нас, легше, ніж ядро \u200b\u200bнашої галактики, до якого світло йде всього лише 30 тис. Років - за деревами не видно лісу.

Вчені моделюють зіткнення чорних дір

Застосування чисельного моделювання на суперкомп'ютерах для з'ясування природи і поведінки чорних дір, дослідження гравітаційних хвиль.

Вперше вчені з інституту гравітаційної фізики (Max-Planck-Institut fur Gravitationsphysik), також відомого як "інститут Альберта Ейнштейна" і розташованого в Гольма, передмісті Потсдама (Німеччина), промоделювали злиття двох чорних дір. Для запланованого виявлення гравітаційних хвиль, що випускаються двома зливаються чорними дірами, необхідно провести повне тривимірне моделювання на суперкомп'ютерах.

Щільність чорних дір так велика, що вони абсолютно не відображають і не випромінюють світла - саме тому їх так нелегко виявити. Однак через кілька років вчені сподіваються на істотне зрушення в цій галузі.

Гравітаційні хвилі, якими буквально заповнене космічний простір, на початку наступного століття можуть бути виявлені за допомогою нових засобів.

Вчені на чолі з професором Едом Зейдель (Dr. Ed Seidel) готують для подібних досліджень чисельне моделювання, яке стане для спостерігачів надійним способом виявлення хвиль, вироблених чорними дірами. "Зіткнення чорних дір - один з головних джерел виникнення гравітаційних хвиль" - сказав професор Зейдель, який проводив в останніми роками успішні дослідження в моделюванні гравітаційних хвиль, що з'являються при руйнуванні чорних дір при прямих зіткненнях.

Разом з тим, взаємодія двох обертових по спіралі чорних дір і їх злиття більш поширені, ніж пряме зіткнення, і мають більше значення в астрономії. Такі дотичні зіткнення були вперше прораховані Берндом Бругманом, які працюють в інституті Альберта Ейнштейна.

Однак в той час через брак обчислювальних потужностей, він не зміг розрахувати такі прнціпіально важливі деталі, як точний слід випускаються гравітаційних хвиль, що містить важливу інформацію про поведінку чорних дір при зіткненні. Бругман опублікував останні результати в журналі "International Journal of Modern Physics".

У своїх перших обчисленнях, Бругман використовував встановлений в інституті сервер Origin 2000. Він включає 32 окремих процесора, що працюють паралельно з сумарною піковою продуктивністю, що дорівнює 3 мільярдам операцій в секунду. А в червні цього року міжнародна група, що складається їх Бругмана, Зейделя та інших вчених вже працювала зі значно більш потужним 256-процесорним суперкомп'ютером Origin 2000 на Національному центрі суперкомп'ютерних додатків (NCSA). Група включала також учених з

Університету Сент-Луис (США) і з дослідницького центру Konrad-Zuse-Zentrum в Берліні. Цей суперкомп'ютер забезпечив перше детальне моделювання дотичних сутичок чорних дір з нерівними масами, а також їх обертань, які Бругман вже досліджував раніше. Вернер Бенгер (Werner Benger) з Konrad-Zuse-Zentrum навіть зумів відтворити вражаючу картину процесу зіткнення. Було продемонстровано, як зливалися "чорні монстри" з масами від однієї до кількох сотень мільйонів сонячних мас, створюючи спалахи гравітаційних хвиль, які незабаром можна буде зафіксувати спеціальними засобами.

Одним з найважливіших результатів цієї дослідницької роботи стало виявлення величезної енергії, що випускається при зіткненні чорних дір у вигляді гравітаційних хвиль. Якщо два об'єкти, з масами, еквівалентними 10 і 15 сонячних мас підходять один до одного ближче, ніж на 30 миль і стикаються, то величина гравітаційної енергії відповідає 1% від їх маси. "Це в тисячу разів більше, ніж вся енергія виділена нашим Сонцем протягом останніх п'яти мільярдів років." - зауважив Бругман. Оскільки більшість великих зіткнень у всесвіті відбувається дуже далеко від землі, то сигнали в момент досягнення ними землі повинні ставати дуже слабкими.

По всьому світу почалося спорудження декількох високоточних детекторів.

Один з них, сконструйований Інститутом Макса Планка в рамках Німецько-Британського проекту "Geo 600" є лазерний інтерферометр довжиною в 0,7 милі. Вчені сподіваються виміряти параметри коротких гравітаційних пертурбацій, що відбуваються при зіткненнях чорних дір, проте вони очікують лише одне таке зіткнення в рік, причому на відстані близько 600 мільйонів світлових років. Комп'ютерні моделі необхідні, щоб забезпечити спостерігачів надійної інформацією про виявлення хвиль, виробленими чорними дірами. Завдяки вдосконаленню можливостей моделювання на суперкомп'ютерах, вчені стоять на порозі появи нового типу експериментальної фізики.

Астрономи говорять, що вони знають місце розташування багатьох тисяч чорних дір, але ми не в змозі виробляти з ними будь-які експерименти на землі. "Тільки в одному випадку ми зможемо вивчити деталі і сконструювати їх чисельну модель в наших комп'ютерах і спостерігати за нею," - пояснив професор Бернард Шутц, директор інституту Альберта Ейнштейна. "Я вважаю, що вивчення чорних дір буде ключовою темою для досліджень астрономів в першій декаді наступного століття."

Зірка-супутник дозволяє побачити пил від супернових зірки.

Чорні діри не можуть бути помічені безпосередньо, але астрономи можуть бачити доказ їхньої існування, коли гази викидаються на звезду- супутник.

Якщо підірвати динаміт, то малесенькі осколки вибухової речовини глибоко встромляться в найближчі об'єкти, таким чином залишаючи незмивний доказ що сталося вибуху.

Астрономи знайшли подібний відбиток на зірці, яка рухається по орбіті навколо чорної діри, небезпідставно вважаючи, щоб ця чорна діра - колишня зірка, Яка зруйнувалася настільки сильно, що навіть світло не може подолати її силу гравітації, - виникла в результаті вибуху наднової зірки.

Світло у темряві.

До цього часу, астрономи спостерігали вибухи наднових зірок і виявили на їх місці плямисті об'єкти, які, на їхню думку, і є чорними дірами. Нове відкриття - перше реальне доказ зв'язку між однією подією та іншою. (Чорні діри не можна безпосередньо побачити, але про їх присутності іноді можна судити по дії їх гравітаційного поля на найближчі об'єкти.

Система "зірка-і-чорна діра", позначена як GRO J1655-40, знаходиться приблизно на відстані в 10,000 світлових років у межах нашої галактики Чумацького шляху. Виявлена \u200b\u200bв 1994 році, вона привернула увагу астрономів сильними спалахами рентгенівських променів і обстрілом радіохвиль, оскільки чорна діра виштовхувала гази на зірку-супутник, що знаходиться на відстані 7.4 мільйонів миль.

Дослідники з Іспанії і Америки почали уважно придивлятися до зірки-супутника, вважаючи, що вона могла зберегти будь-якої слід, який свідчить про процес формування чорної діри.

Вважається, що чорні діри, розміром зі зірку, є тілами великих зірок, які просто зменшилися до таких розмірів після того, як витратили весь свій водневе паливо. Але з незрозумілих поки причин, загасаюча зірка трансформується в наднову перш, ніж вибухнути.

Спостереження системи GRO J1655-40 в серпні і вересні 1994 року дозволили зафіксувати, що потоки викидається газу мали швидкість, складову до 92% від швидкості світла, що частково доводило наявність там чорної діри.

Зоряний пил.

Якщо вчені не помиляються, то частина вибухнули зірок, які, ймовірно, в 25-40 разів більше, ніж наше Сонце, перетворилася в вижили супутники.

Це саме ті дані, які астрономи виявили.

Атмосфера зірки-супутника містила більш високу, ніж зазвичай, концентрацію кисню, магнію, кремнію і сірки - важкі елементи, які можуть бути створені у великій кількості тільки при температурі в мультімілліард градусів, яка досягається під час вибуху суперновою зірки. Це і стало першим доказом, дійсно підтверджує справедливість теорії про те, що деякі чорні діри спочатку виникли як наднові зірки, оскільки побачене не могло бути народжене зіркою, яку спостерігали астрономи.